JP4001221B2 - Inertial speed sensor and method with improved clock means - Google Patents
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Description
【0001】
(発明の属する技術分野)
本発明は、概括的には慣性速度センサーに、より厳密には改良型クロック手段を備えた慣性速度センサー及び方法に属する。
【0002】
(発明の背景)
慣性速度センサーは、航空機航法、ミサイル及び宇宙船の誘導、及び自動車安定制御系を始めとして多種多様なアプリケーションに使用されている。これらのアプリケーションの多くは、安全性が最重要課題であるので、センサーの故障に対してガードするための対策が講じられねばならない。
【0003】
(発明の概要)
本発明の目的は、概括的には、新しく且つ改良された慣性速度センサー及び方法を提供することである。
【0004】
本発明の別の目的は、改良型クロック手段を備えた慣性速度センサー及び方法を提供することである。
【0005】
上記及び他の目的は、ドライブ信号は速度感知要素に送られ、振動速度感知要素の動きに対応する出力信号を提供するためにピックアップ回路は速度感知要素に連結され、デジタル論理は速度センサーをキャリブレートし、速度センサーの故障の発生を検知し、速度感知要素はデジタル論理にシステムクロック信号を提供するための周波数基準として利用され、速度感知要素の振動とシステムクロック信号との間には固定位相関係が維持され、作動電力がセンサーに印加された後のある期間中は疑似遷移に対する応答を排除するためにシステムクロック信号は濾波され、デジタル論理はシステムクロック信号と同期してリセットされる慣性速度センサー及び方法を提供する本発明に従って達成される。
【0006】
(好適な実施態様の詳細な説明)
図1に示すように、速度センサーは双端音叉の形をしたクオーツ感知要素11を含んでいる。本音叉は単体の水晶材料から製作されており、H型の構成で、一方がドライブ尖叉12そして他方がピックアップ尖叉13となっている。尖叉の各対は音叉の縦軸14周りに対称に配設されている。
【0007】
ドライブ尖叉12は駆動されると、音叉の固有周波数で、音叉の面内で振動する。音叉が縦軸周りの回転を受けると、コリオリの力が働いて両尖叉が音叉の面から外れ、振動のピックアップモードを誘発する。ドライブ及びピックアップ信号は、従来の方法で電極(図示せず)を使用して尖叉に連結され、ドライブ信号は尖叉の圧電振動を誘発し、ピックアップ信号は、コリオリの力により生まれたひずみに反応して圧電的に生成された電荷の形態をとる。
【0008】
感知要素は双端音叉であるものとして図示しているが、必要に応じ単端音叉を含め他のタイプの振動感知要素を使用することもできる。
【0009】
ピックアップ信号は電荷増幅器16を通過して前置増幅器17に至り、その後復調器18に至る。復調器を出た信号は、ローパスフィルタ19を通過し補償加算器21に至り、その後出力増幅器22に至り、速度出力信号は出力増幅器の出力に現れる。電圧入力が+5ボルト及び0ボルトの場合、ゼロ入力に対して速度出力は+2.5ボルトまでバイアスされ、正の速度入力に対してはより大きな正の電圧まで振れるが、負の速度入力に対してはゼロボルトに向かって振れる。+2.5ボルトのレベルは、しばしば実質的なグラウンドと称される。
【0010】
米国特許第5,942,686号に記載されているように、印加電力に正比例して装置のスケールファクタが変化するように、補償信号は加算器に加えられ、温度などの要素に関する出力信号を調整し、システムを比率測定式にする。
【0011】
システムには、外部EEPROM24と連携して作動するデジタル論理23が含まれており、これにより、構成要素を手作業ではんだ付けする必要無しに、装置を電子的にキャリブレートすることができる。デジタル論理は、装置に故障が発生したことを検知する内蔵テスト機能も提供している。デジタル論理からの信号は、デジタル・アナログ変換器26を介して補償加算器21に、そして出力増幅器22に送られる。
【0012】
振動感知要素、即ち音叉11は、デジタル論理用のクロック基準として使用され、ドライブ回路即ちオシレータ28から引き出されたクロック信号がクロックフィルタ29を介してデジタル論理に送られるようになっている。これにより、外部クロックの必要性が排除されるので、速度センサーの寸法及び費用が低減され、それにより総部品点数および回路盤面積が小さくできる。こうすると、音叉の完全性をモニターすることが自動的にクロック信号の完全性をモニターすることになるので、故障検知のタスクを単純化することにもつながる。加えて、クロック信号は出力信号と同期しているので、合計及び差異周波数でのエイリアス信号やビートトーンも発生しない。
【0013】
該好適実施態様では、音叉の基本周波数がデジタル論理のクロック基準として用いられている。代替的には、フェーズロックループを使用して、信号をより速く処理するために多数の音叉ドライブ周波数を生成することもできる。何れの場合でも、周波数確定要素は感知要素として働く音叉と同じ音叉である。
【0014】
図2に示すように、ドライブ回路即ちオシレータ28は、AGC(自動利得制御)サーボループと称されることもあるループを備えている。ドライブ尖叉が振動しているときは、電流はドライブ電極をまたいで生成される。この電流は電流対電圧増幅器31を通過して、復調器32の入力に印加される電圧を生み出す。電流対電圧増幅器の出力に接続されている電圧コンパレータ33は、ドライブ周波数で方形波を生成する。この方形波は、復調器の制御入力に送られ、復調器がドライブ周波数で作動する状態となり、その出力はdcの項を含んでいる。
【0015】
復調器からのdc項は、加算回路34に送られ、ここで固定スケールファクタ基準電圧36及びプログラム可能スケールファクタ基準電圧37と結び付く。加算回路の出力は、積分器38の入力に接続されている。
【0016】
積分器の出力は、入力が非ゼロの場合は、より大きな正電圧、或いはより大きな負電圧の何れかに向かって動くことになる。このことは、安定状態において、積分器への入力は平均するとゼロであるということを意味する。このように、復調器の出力は、2つのスケールファクタ基準電圧の合計を正確にキャンセルしなければならない。復調器の出力電圧は、音叉のドライブモードの振動の振幅を表しているので、この2つのスケールファクタ基準電圧は、ドライブモード信号の大きさをセットする。
【0017】
音叉の速度感知能力は、ドライブ尖叉の対称軸周りの入力回転を面外ねじれモードにつなぐコリオリの力に依存している。コリオリの力は回転速度と尖叉速度の積に比例し、その速度は尖叉振動の振幅に比例する。こうして、尖叉が駆動されてより大きな変位の振幅と速度で振動するにつれ、コリオリの力を介する回転への反応は比例的に増大する。
【0018】
こうして、スケールファクタ又は音叉の単位回転あたりの反応は、駆動振幅に比例して増加する。
【0019】
音叉のドライブモードの振動の振幅を確定する際、スケールファクタ基準電圧36及び37は、デバイスのスケールファクタをも決める。固定電圧を使用して基準スケールファクタをセットし、プログラム可能電圧を使って微調整を行う。これにより、出来上がった各速度センサーが適正なスケールファクタ出力を有するように、各装置のスケールファクタは、個々の音叉特性の細かい違いに合わせて補正できるようになる。
【0020】
プログラム可能スケールファクタ基準電圧をセットするためのプログラム可能データは、EEPROM24に記憶されデジタル論理23によりアクセスされるデジタル係数から導き出される。そのデータはアナログ電圧に変換され、加算回路34のプログラム可能バイアス電圧入力に送られる。現在のある好適な実施態様では、スケールファクタ基準のプログラム可能コンポーネントの調整範囲は、固定コンポーネントの+/−35パーセント程度となっている。
【0021】
積分器の出力の電圧レベルは、ドライブループでの許容できない状況又は故障を検知するウインドウコンパレータ39によりモニターされる。ウインドウコンパレータは、1対のコンパレータ41、42と否定和ゲート43とを備えており、コンパレータの出力は否定和ゲートの入力に接続されている。電圧の上限及び下限は、回路のトリップポイントを定義する基準電圧+REF及び−REFによりセットされる。他の2つのコンパレータ入力は、積分器からの信号を受信するために合わせて一つにされる。否定和ゲートの出力は、ローパスフィルタ44を通過し内蔵テスト論理によりモニターされる。
【0022】
積分器の出力が基準電圧によりセットされた限度内にある限り、ウインドウコンパレータの出力は、内蔵テスト論理46に受容可能と判定される。仮に積分器の出力が上記限度から外れるようなことが起きれば、テスト論理は故障を検知し出力段階22をトリガして正電圧レールに素早く切り替えるが、これを故障状況と解釈する。
【0023】
オシレータループ内で検知され得る故障のタイプには、音叉の欠陥又は破損、音叉につながる又は音叉から出ている電気トレースがオープンであること、音叉が封入されているパッケージの充填ガスの漏れにより発生する音叉モード“Q”ファクタの変化、及び積分器を横切るフィードバックコンポーネントが短絡しているか或いはオープンであることが含まれる。
【0024】
積分器の故障が内蔵テスト論理で検知できるようにするため、積分器の出力は加算回路49のバイアス電圧48と組み合わせられ、積分器の安定状態出力を実質的なグラウンド、つまり正の供給電圧と負の供給電圧の間の中間点から所要値に移動させる。これは、積分器を横切るフィードバック経路が短絡すると、システムに+5ボルト及び0ボルトの電圧が供給された場合には、積分器の出力は実質的グラウンド、つまり+2.5ボルトに留まることから、必要である。この故障を検知するために、積分器出力電圧の受容可能範囲は、標準作動状態に関しては、実質的グラウンドから離れ、通常は約+2.6ボルトから+4ボルトの範囲にバイアスされねばならない。
【0025】
積分器を横切るフィードバック経路がオープンになると、積分器増幅器は復調器により作り出されたダブル周波数コンポーネントをすべて通すことになる。このダブル周波数信号は、ウインドウコンパレータを通過すると、増幅器出力がトリップ限界を通り越して遷移するので、デジタル“1”と“0”のストリームができてしまう。ローパスフィルタ44は、このパルスストリームをdc電圧へ下げ、このdc電圧を内蔵テスト論理が故障として検知する。
【0026】
加算回路49の出力は、増幅器51により増幅されて、電圧コンパレータ33からの出力電圧を変調するために振幅変調器52に送られる。電圧コンパレータの出力はレールツーレールの方形波であり、変調器は方形波のピークツーピーク振幅を調整して、音叉のドライブ尖叉に可変ドライブ電圧を供給する。
【0027】
変調器からの方形波は、論理回路からの信号により制御されるマルチプレクサ53を介してドライブ尖叉に送られる。方形波はまた、音叉のドライブモードの固有周波数に大凡等しい中央周波数での利得1.0で、バンドパスフィルタ54の入力にも送られる。このフィルタは、方形波の調波成分を著しく減衰させ、純粋な正弦波に近い別のドライブ信号を作り出す。その信号は、マルチプレクサの第2の入力に送られる。
【0028】
方形波ドライブ信号のピークツーピーク電圧はより素早く上昇し、結果的に正弦波よりも速くターンオンするので、ターンオン時間を最小限にするためにターンオンの初期位相中にドライブ尖叉に送られる。一旦、音叉振動の振幅があるレベルに到達し、積分器38の出力がウインドウコンパレータ39の制御下限を超えてしまうと、内蔵テスト論理は、マルチプレクサに対してその出力を方形波から正弦波に切り替えるコマンド信号を生成する。相対的には調波の無い正弦波をここでは使用して、次のターンオンシーケンスまでのオペレーションの残り部分に対して音叉を駆動する。
【0029】
これにより、両方のタイプのドライブ信号の利点がどちらのタイプの欠点も受けずに提供される。方形波は、振幅制御レベルでの音叉振動及び安定性のより速い立ち上がりを提供する。しかしながら、方形波は、幾つかの例では音叉構造の高次のモードと結びついてセンサー出力に望ましくないバイアスシフトを引き起こしかねない高調波成分も有している。正弦波にはこのような調波は相対的に少なく、よりゆっくりと上昇するので、方形波よりもターンオンが遅くなり、起動オペレーションにとってはあまり良いとは言えない。
【0030】
クロック基準が音叉運動の位相に対して固定位相関係を有するようなやり方で生成されることが重要である。仮に位相関係が1つのターンオンから次のターンオンまでで変化するのであれば、論理は依然として適正に機能するであろうが、位相に差があると、クロック信号の出力信号経路への有限な結合のせいで、センサーのバイアスオフセットに差異が生じやすい。固定クロック位相関係であれば、結合があったとしても、ターンオンからターンオンまで固定値を確実に有することになる。
【0031】
固定位相関係は、クロック信号が論理回路に送られるときに通過するクロックフィルタ29により提供される。図3に示すように、クロックフィルタは1対のD型フリップフロップ56、57を備えており、そのフリップフロップ56、57はそれぞれQA及びQBとして示される自身の出力を消去するために同時にリセットされる。これらのフリップフロップが正に向かうクロックエッジ上でトリガすると、入力クロック信号が電圧コンパレータ33の出力から導出され、非反転クロック入力信号がフリップフロップ56に送られ、反転されたクロック入力信号がインバータ58を介してフリップフロップ57に送られる。
【0032】
積分器59、シュミットトリガ60、及びインバータ61を備えたフィードバックループは、フリップフロップ57のQ出力とD入力の間に接続されている。これによりクロック入力は2で分割されるので、フリップフロップ57の出力の信号QBはクロック入力のちょうど半分に等しい周波数の方形波になる。
【0033】
フリップフロップ56はフリップフロップ57のスレーブであり、フリップフロップ57からの遅延QB出力信号が、インバータ62を介してフリップフロップ56のD入力に送られる。こうして、フリップフロップ56の出力の信号QAも、クロック入力のちょうど半分に等しい周波数の方形波になるので、2つのフリップフロップの出力は、常に互いに入力クロック周期の半分だけ位相ずれしていることになる。
【0034】
積分器及びシュミットトリガは、多数の遷移が入力クロック信号にある場合、そのような遷移がクロック出力信号に起きるのを防止する遅延をフィードバックに導入する。遅延は、第1の正方向クロックエッジでの最初の遷移の後ある一定の期間中に、フリップフロップが更なる遷移を作るのを防止する。この遅延を図4に示しているが、遅延はクロック期間の10から25パーセント程度である。このようにしてフリップフロップを抑止することで、最初の遷移後短期間の内に多数の遷移を含むかもしれないクロック入力からの出力信号がクリーンなものとなる。このような遷移は、例えば、クロック入力の生成に利用されるコンパレータのような要素から生じるが、それらは起動時だけに限らずセンサーのオペレーション中いつでも起こりうる。
【0035】
フリップフロップ56、57の出力QA及びQBには疑似遷移が無く、これらの出力が排他的論理和ゲート63に入力される。これら2つの信号は、両方とも周波数がクロック入力信号の半分なので、それらは合体してクロック入力信号と同じ周波数の新クロック信号を生み出す。2つのフリップフロップは互いに隷属しており、それらのQA及びQB出力は、常に互いに入力クロック周期の半分だけ位相がずれているので、フィルタからの出力信号の位相は、常にフィルタへのクロック信号入力に対して固定関係を持つ。この位相関係を図4に示す。
【0036】
図5は、パワーがセンサーに加えられた瞬間と十分な音叉駆動振動の立ち上がりとの間に生じる疑似振動から正しくないクロック信号が派生することを防止するリセット回路64を示している。この回路は、オシレータの周波数を決めるレジスタ68とキャパシタ69が付いている電圧コンパレータ67を備えた精密オシレータ66を含んでいる。この周波数は、システムクロック周波数よりはるかに低く、ある現在の好適な実施態様では、システムクロックは、周波数が10KHzで、オシレータ66は周波数1Khzで作動する。
【0037】
図6に示すように、ドライブオシレータ信号71がある不確定周波数から標準の作動周波数に遷移するには、ある有限期間が必要とされる。波形72は、パワーが加えられるにつれて入力電圧が徐々に上昇する様子を図示している。入力電圧が閾値レベル、通常は3.8ボルトに到達すると、パワーオン・リセットパルス73が生成され、論理回路を初期状態にリセットする。
【0038】
オシレータ66の出力は、9ビット(512分割)カウンタ74の入力に接続されている。カウンタの出力は、制御論理77に送られるが、制御論理77は、パワーオン・リセット回路78からの非同期リセット信号も受信する。カウンタ74からの信号を受信すると、制御論理は、コンパレータ使用可能信号79をトグルして電圧コンパレータ67を遮断するが、コンパレータ67は、ここで別のパワーオン・リセットが起きるまでは振動を止める。制御論理は又、リセットパルスシンクロナイザ81も使用可能にするが、このシンクロナイザ81は、有効であると知られているクロックフィルタ29からのクロック信号と同期している同期リセット信号を届ける。同期リセット信号は、論理和ゲート82で非同期リセット信号と組み合わせられてシステムリセット信号83を提供する。図6に示すように、この信号は、メインシステムクロックと同期する際、低い状態に遷移し、次に高い状態に戻る。このようにしてリセット信号を遅れて届けることにより、有効であると知られているクロックが音叉から引き出された後、確実に最終的なリセットを全デジタル論理回路に与えることができるようになる。
制御論理は、オシレータ66からの信号の2周期内にその機能を果たし、オシレータのオペレーションに対し合計514周期を生み出し、その時点で完全に使用不能となる。これには、典型的には、約0.5秒必要とされる。
【0039】
下部の2つの波形は、システムクロック及びシステムリセット信号を拡大スケールで示したものである。これら2つの波形により示されるように、システムリセット信号の負方向の遷移は、システムクロックに対して非同期であり、正方向遷移前に幾つかのクロック周期を生じることができるが、正方向遷移はシステムクロックと同期化している。
【0040】
このリセット回路は、パワーがセンサーに加えられたときデジタル論理を初期化する。タイミングシーケンスが完了するまでは、内蔵テスト論理は、正レール電圧での出力ステージ22からの信号を保持する。その後、出力は、センサーの回転速度に対応する値を想定できるようになる。出力がレールを外れると、それはセンサーの使用準備が整っていることの標示となり、有効なデータを与える。出力は、ここで、故障が検知されたときにだけ正レールに戻される。
【0041】
故障が検知され、出力が正電圧レールに向かうとき、BITフラッグはラッチされ、別のパワーターンオンシーケンスが起きるまでは、ラッチのかけられた状態のままにされる。しかしながら、起動中の遷移状態によりBITフラッグにラッチが掛けられたままにならないように、ターンオンシーケンスが完了するまでは、BITフラッグのラッチかけは禁止されている。
【0042】
仮に装置に加えられているパワーがパワーオン・リセット回路の閾値を下回ることになれば、回路は自動的に再度トリガされる。再トリガの場合、パワーの損失が起きたことが標示される。
【0043】
ある好適な実施態様では、センサー用の回路は、アプリケーション指定集積回路(ASIC)として一体型に構築される。音叉及びEEPROMは、ASICに対して外部にあり、補償値は、コンピュータインターフェース経由でASICのデジタル論理を介してEEPROMにロードすることができる。ある現在の好適な実施態様では、ASICにはコネクタ端子が3つしかなく、即ち、+5ボルト、グラウンド(0ボルト)、及び出力信号の端子である。
【0044】
本発明は、多くの重要な特質及び有利性を有する。感知要素自体をシステムのクロック基準として使用することにより、クロックを別に必要とすることを無くし、これにより、ユニットのサイズ及びコストを減少する。クロックフィルタは、始動時の擬似発振に応答して不正確なクロック信号が与えられることを防ぐ。また、このクロックフィルタは、システムクロックと音叉の発振との間に同じ位相関係が常に存在することも保証する。パワーオンリセット回路は、システムクロックと正確に同期するリセット信号を提供する。
【0045】
以上のことより、新しく且つ改良された慣性速度センサー及び方法が提供されたことは明白である。現在のある特定の好適な実施態様しか詳細に説明していないが、当業者には自明であるように、請求の範囲に定義する本発明の範囲から逸脱することなく変更及び修正を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を組み込んだ慣性速度センサーの1つの実施態様を示すブロック線図である。
【図2】図1の実施態様におけるドライブオシレータのブロック線図である。
【図3】図1の実施態様におけるクロックフィルタのブロック線図である。
【図4】図3のクロックフィルタの異なる位置での波形を示すタイミング線図である。
【図5】図1の実施態様のリセット回路のブロック線図である。
【図6】図5のリセット回路の異なる位置での波形を示すタイミング線図である。[0001]
(Technical field to which the invention belongs)
The present invention relates generally to inertial speed sensors, and more precisely to an inertial speed sensor and method with improved clock means.
[0002]
(Background of the Invention)
Inertial speed sensors are used in a wide variety of applications including aircraft navigation, missile and spacecraft guidance, and automotive stability control systems. In many of these applications, safety is of paramount importance, and measures must be taken to guard against sensor failure.
[0003]
(Summary of Invention)
It is generally an object of the present invention to provide a new and improved inertial velocity sensor and method.
[0004]
Another object of the present invention is to provide an inertial velocity sensor and method with improved clock means.
[0005]
For these and other purposes, a drive signal is sent to the speed sensing element, a pickup circuit is coupled to the speed sensing element to provide an output signal corresponding to the motion of the vibration speed sensing element, and digital logic calibrates the speed sensor. The speed sensing element is used as a frequency reference for providing a system clock signal to the digital logic, and there is a fixed phase relationship between the vibration of the speed sensing element and the system clock signal. Inertia speed sensor where the system clock signal is filtered and digital logic is reset synchronously with the system clock signal for a period of time after the operating power is applied to the sensor to eliminate the response to the pseudo-transition And according to the present invention to provide a method.
[0006]
Detailed Description of Preferred Embodiments
As shown in FIG. 1, the speed sensor includes a quartz sensing element 11 in the form of a double-ended tuning fork. The tuning fork is made of a single crystal material, and has an H-shaped configuration, one of which is a
[0007]
When driven, the drive tines 12 vibrate in the plane of the tuning fork at the natural frequency of the tuning fork. When the tuning fork is rotated around the vertical axis, Coriolis force is applied to cause the two tines to come off the surface of the tuning fork and induce a pickup mode of vibration. The drive and pickup signals are connected to the tines using electrodes (not shown) in a conventional manner, the drive signals induce piezoelectric vibrations of the tines, and the pick-up signals are subjected to distortion caused by Coriolis forces. It takes the form of electric charges generated in response to piezoelectricity.
[0008]
Although the sensing element is illustrated as being a double-ended tuning fork, other types of vibration sensing elements may be used, including a single-ended tuning fork, if desired.
[0009]
The pickup signal passes through the charge amplifier 16 to the preamplifier 17 and then to the demodulator 18. The signal leaving the demodulator passes through the low-
[0010]
As described in US Pat. No. 5,942,686, the compensation signal is applied to an adder so that the scale factor of the device changes in direct proportion to the applied power, and the output signal for factors such as temperature is Adjust to make the system ratiometric.
[0011]
The system includes
[0012]
The vibration sensing element, i.e., tuning fork 11, is used as a clock reference for digital logic so that a clock signal derived from a drive circuit or
[0013]
In the preferred embodiment, the fundamental frequency of the tuning fork is used as the clock reference for digital logic. Alternatively, a phase-locked loop can be used to generate multiple tuning fork drive frequencies for faster signal processing. In any case, the frequency determining element is the same tuning fork that acts as the sensing element.
[0014]
As shown in FIG. 2, the drive circuit or
[0015]
The dc term from the demodulator is sent to summing circuit 34 where it is combined with fixed scale
[0016]
The integrator output will move towards either a larger positive voltage or a larger negative voltage if the input is non-zero. This means that in steady state, the input to the integrator is on average zero. Thus, the demodulator output must accurately cancel the sum of the two scale factor reference voltages. Since the output voltage of the demodulator represents the amplitude of the tuning fork drive mode vibration, the two scale factor reference voltages set the magnitude of the drive mode signal.
[0017]
The tuning fork's ability to sense speed depends on the Coriolis force that couples the input rotation about the axis of symmetry of the drive tines to an out-of-plane torsion mode. The Coriolis force is proportional to the product of the rotational speed and the tine speed, which is proportional to the amplitude of the tine vibration. Thus, as the tines are driven and vibrate with greater displacement amplitude and speed, the response to rotation via Coriolis forces increases proportionally.
[0018]
Thus, the scale factor or the response per unit rotation of the tuning fork increases in proportion to the drive amplitude.
[0019]
In determining the amplitude of the tuning fork drive mode vibration, the scale
[0020]
Programmable data for setting the programmable scale factor reference voltage is derived from digital coefficients stored in the
[0021]
The voltage level of the integrator output is monitored by a
[0022]
As long as the integrator output is within the limits set by the reference voltage, the window comparator output is determined to be acceptable to the built-in
[0023]
The types of faults that can be detected in the oscillator loop are caused by a defective or broken tuning fork, an open electrical trace leading to or coming out of the tuning fork, and a leak of filling gas in the package in which the tuning fork is enclosed. Changes in tuning fork mode “Q” factor, and feedback components across the integrator are shorted or open.
[0024]
In order for the integrator failure to be detected by the built-in test logic, the integrator output is combined with the
[0025]
When the feedback path across the integrator becomes open, the integrator amplifier will pass all the double frequency components created by the demodulator. When this double frequency signal passes through the window comparator, the amplifier output transitions past the trip limit, resulting in a digital “1” and “0” stream. The low-
[0026]
The output of the
[0027]
The square wave from the modulator is sent to the drive tines via a
[0028]
Since the peak-to-peak voltage of the square wave drive signal rises more quickly and consequently turns on faster than the sine wave, it is sent to the drive tines during the initial phase of turn-on to minimize turn-on time. Once the tuning fork vibration amplitude reaches a certain level and the output of the
[0029]
This provides the advantages of both types of drive signals without suffering from either type of drawback. A square wave provides tuning fork vibration at the amplitude control level and a faster rise in stability. However, square waves also have harmonic components that, in some cases, can be combined with higher order modes of the tuning fork structure and cause undesirable bias shifts in the sensor output. A sine wave has relatively few such harmonics and rises more slowly, which results in slower turn-on than a square wave and is not very good for start-up operation.
[0030]
It is important that the clock reference is generated in such a way that it has a fixed phase relationship to the phase of the tuning fork motion. If the phase relationship changes from one turn-on to the next, the logic will still function properly, but if there is a phase difference, the finite coupling of the clock signal to the output signal path Because of this, the sensor bias offset tends to vary. With a fixed clock phase relationship, even if there is a coupling, it will certainly have a fixed value from turn-on to turn-on.
[0031]
The fixed phase relationship is provided by the
[0032]
A feedback loop including an
[0033]
The flip-
[0034]
Integrators and Schmitt triggers introduce a delay in the feedback that prevents such transitions from occurring in the clock output signal when multiple transitions are present in the input clock signal. The delay prevents the flip-flop from making further transitions during a certain period after the first transition at the first positive clock edge. This delay is shown in FIG. 4 and is about 10 to 25 percent of the clock period. By suppressing the flip-flops in this way, the output signal from the clock input, which may contain many transitions within a short period after the first transition, is clean. Such transitions arise, for example, from elements such as comparators used to generate clock inputs, but they can occur at any time during sensor operation, not just at startup.
[0035]
There are no pseudo transitions in the outputs QA and QB of the flip-
[0036]
FIG. 5 shows a
[0037]
As shown in FIG. 6, a certain finite period is required for the drive oscillator signal 71 to transition from a certain indeterminate frequency to a standard operating frequency.
[0038]
The output of the
The control logic performs its function within two periods of the signal from the
[0039]
The lower two waveforms show the system clock and system reset signal on an enlarged scale. As shown by these two waveforms, the negative transition of the system reset signal is asynchronous to the system clock and can produce several clock periods before the positive transition, Synchronized with the system clock.
[0040]
This reset circuit initializes the digital logic when power is applied to the sensor. Until the timing sequence is complete, the built-in test logic holds the signal from the output stage 22 at the positive rail voltage. Thereafter, the output can assume a value corresponding to the rotational speed of the sensor. When the output goes off the rail, it is an indication that the sensor is ready for use and gives valid data. The output is now returned to the positive rail only when a fault is detected.
[0041]
When a fault is detected and the output goes to the positive voltage rail, the BIT flag is latched and remains latched until another power turn-on sequence occurs. However, latching of the BIT flag is prohibited until the turn-on sequence is completed so that the BIT flag is not latched due to the transition state during activation.
[0042]
If the power applied to the device falls below the power-on reset circuit threshold, the circuit is automatically triggered again. In the case of retrigger, it is indicated that a loss of power has occurred.
[0043]
In a preferred embodiment, the circuit for the sensor is built in one piece as an application specific integrated circuit (ASIC). The tuning fork and EEPROM are external to the ASIC, and the compensation values can be loaded into the EEPROM via the ASIC digital logic via the computer interface. In one presently preferred embodiment, the ASIC has only three connector terminals: +5 volts, ground (0 volts), and output signal terminals.
[0044]
The present invention has many important attributes and advantages. By using the sensing element itself as the system clock reference, the need for a separate clock is eliminated, thereby reducing the size and cost of the unit. The clock filter prevents an inaccurate clock signal from being applied in response to the pseudo oscillation at start-up. The clock filter also ensures that the same phase relationship always exists between the system clock and the tuning fork oscillation. The power on reset circuit provides a reset signal that is accurately synchronized with the system clock.
[0045]
From the foregoing, it is apparent that a new and improved inertial velocity sensor and method have been provided. While only certain preferred embodiments of the present invention have been described in detail, changes and modifications may be made without departing from the scope of the invention as defined in the claims, as will be apparent to those skilled in the art. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating one embodiment of an inertial velocity sensor incorporating the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of a drive oscillator in the embodiment of FIG.
FIG. 3 is a block diagram of a clock filter in the embodiment of FIG.
4 is a timing diagram showing waveforms at different positions of the clock filter of FIG. 3; FIG.
5 is a block diagram of the reset circuit of the embodiment of FIG.
6 is a timing diagram showing waveforms at different positions of the reset circuit of FIG. 5. FIG.
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